机床数控化电气设计策略之我见

张琳

摘要：机床数控化改造不仅是经济又见效快的途径，而且节约能源、实现废品资源化和保护环境的目的。我们必须加快机床数控化的进度。但是机床的数控化改造不能停留在现有阶段，应紧跟世界潮流，发展多轴联动数控系统，开发高速、高精度、高效加工中心等关键技术，向智能化方高发展。

关键词：机床改造;电气控制;电气设计

目前许多数控化改造的设计存在诸多问题：选择电机参数时，使用的计算方法欠精确;数控系统类型和功能选择不合理;电气部分的改造不规范等等。因为数控机床电气设计、应用与维修技术工作的复杂性、多样性和多变性以及一些客观环境因索的制约，在数控机床电气控制方而还没有形成一套成熟的、完整的理论体系。本文将对机床数控化改造进行归纳总结和分析，以求对该学科理论的发展及工程技术人员的实践有所裨益，为普通机床数控化改造中的电气设计提供依据。

一、机床数控化改造作用分析

对普通机床进行数控化改造，关键技术在于对机床精度的恢复。旧机床一般在工作车间已经工作多年，其中导轨、溜板等都有不同程度的磨损。在有条件的时候，按常规机床大修的方法，对机床导轨进行磨削，磨削量以保持床面有一定的表面硬化层为宜。若旧机床磨损严重，磨削后，表面硬化层已去除，可采用电刷镀的方法加工耐磨表层。与床身相匹配的溜板，一般可采用刮研的方法修配恢复精度。在导轨磨损量较大的情况下，也可采用贴塑工艺恢复机床导轨精度。主轴精度的修复是改造机床维修的另一个侧重点。可采用更换主轴轴承等传统方法配合电刷镀工艺完成。主轴箱通常需单独修复，并调试验收精度。有些磨损量小的机床也可以采用表面工程技术在现场操作，恢复机床精度。

二、机床数控化电气设计方法分析

在确定改造方案时，由于受经费等多方面因素的影响，绝大多数用户都会保留驱动及电机部分而只更换系统。考虑到延续性和兼容性，如果用户在经费方面没有问题，我们通常采用SIEMENS802D系统。该系统是西门子公司于20世纪90年代中期推出的一款纯数字高档数控系统，与之匹配的驱动和电机也都是数字的。其由于具有功能强大、使用灵活等特点，自问世以来，在机械加工设备中得到了广泛的应用。国内车床数控系统基本上都是采用西门子公司生产的8M系统，PLC通常采用西门子公司生产的$5--150系列，驱动部分则大多采用西门子公司生产的直流驱动。要根据所选系统的不同来选择相应的PLC。SIDlENs802D系统所配的PLC是S5-135wD，该类型PLC硬件有2种选择形式：一种选择是分布I/O（DMP），另一种选择是扩展单元185U。通过对2种选择的比较分析可知，DMP的接线比较麻烦，但是价格较便宜，而185U接线比较简单，但是价格较贵。如果单纯只从使用的角度进行选择的话，以上2种方案都可以满足系统的功能要求。

三、机床数控化电气设计对策分析

（一）驱动电路设计

驱动电路设计，采用对驱动器在三相六拍的基础上进行5细分（30拍），10细分（60拍）。细分后电动机运行的步距角将要缩小相应的倍数（如步距角为0.75的电动机，10细分后电动机运行的步距角为0.075）。细分后消除了小步进电动机的低频振荡，提高了电动机的分辨率和运行特性，由于制造工艺的问题，实际上的分辨率会稍低于理论细分的精度。三相混合式步进电机驱动器SH-32206，80～220V交流供电，可适应最恶劣电网环境。脉冲信号、方向信号和脱机信号接CNC装置。双极恒相流细分驱动，可以通过驱动器面板上的第1、2、3、4四个拨码开关，可供选择16种细分模式。输入信号光电隔离。过压、过流保护、脱机保持功能、单/双脉冲模式可选。自动半流。最大输出驱动电流6A/相。

（二）变速控制电路设计

变频器主轴变速控制电路中主要包含有交流电动机，两个接触器（KMI、KM2）。数控系统的驱动模块端子与输出O～10V模拟电压，该电压作为变频器的指令电压。当交流电机正向旋转时，PLC的Q4.0端输出高电平，继电器KMI触点立即吸合，从而使得变频器的端子之间连接起来，与此同时驱动器前端与后端之间输出一个用于控制电动机转速的模拟电压，从而带动主轴的旋转。当主轴电动机进行反向旋转时，PLC的Q4.1端输出高电平，继电器KM2触点立即吸合，从而使得变频器端子之间连接起来，进而使主轴电动机进行反转，当变频器发生过载情况时，变频器的端子产生信号至数控系统的PLC，进而进行动作并发出报警信号。

（三）加工精度控制设计

对旧机床改造，除系统升级外，改造者面临的另一关键问题就是 机械精度问题。机械精度恢复的如何，直接关系到改造的整体效果。 而一般机床经多年使用后，由于使用条件和环境的不同，会造成多方 面的磨损或损伤，如轴承、丝杆、导轨等都会直接影响机床的整体精 度。本次改造除更换受损的轴承、联轴器等外还对导轨的镶条、贴塑 面等结合部件进行铲刮重新装配后，机床的主要几何精度指标均达到 相关标准要求。而在测量定位精度时，发现定位精度和重复定位精度 指标严重超标，分别为 0.035 和 0.025mm。于是决定启用系统提供的螺 距补偿功能。使用激光干涉仪分别对三个轴进行定位检测，检测间距 选择 40mm，在整个行程范围内，记录下所有检测点的误差值，将这些 误差值输入至系统提供的补偿参数中，再进行测量，结果效果非常明 显。补偿后的定位精度和重复定位精度分别为 0.015 和 0.010mm（此精 度指标虽不理想，但作为改造机床已能满足一般的加工要求）。

四、结束语

本文将从数控系统的设计、加工精度、机床运动坐标轴等的控制设计入手，较详细地阐述了机床的数控化改造电气控制设计的 方案，对机床电气系统进行改造设计，使原有的机床在某些方面性能和功能方面有较大的提高，基本可达到普通数控机床的加工要求。

参考文献：

[1]李恒权.中国机床改造业务高端市场 [J].科技与企业，2016.

[2]张红涛.单片机和PLC机串行通信系统设计[J].化工自动化及仪表，2015.